詳解！電力變壓器在衝擊電壓作用下的繞組電壓分布

電力變壓器作為電網的核心設備，在實際運行中常需耐受雷電和操作等衝擊電壓的作用。計算和測量電力變壓器在衝擊電壓作用下的繞組電壓分布對於設計製造變壓器絕緣結構具有重要的現實意義和工程應用價值。然而實際運行的電力變壓器繞組上並無測量抽頭，難以直接在實際變壓器的繞組上測量其電壓分布。因此，通過設計電氣特性相似並帶測量抽頭的變壓器縮比模型，在此基礎上開展繞組電壓分布的測量研究，其結果不僅可有效反推至原型變壓器，亦可為衝擊電壓作用下繞組電壓分布的機理分析提供基礎數據。

變壓器縮比準則

變壓器縮比模型不同於簡單的縮尺模型，需要確定各個物理量的縮比關係。確立縮比準則的關鍵是縮比係數的選取，原則上縮比模型和原模型物理特性常數相同。即縮比模型的介電常數、電導率、磁導率和電阻率ρ和原模型一致，即這些物理量的縮比係數都為1。同時假設電場強度E保持不變，即縮比係數kE為1。根據電流密度J和電場強度E的本構關係，得到kJ=kE=1。說明縮比模型和原模型的繞組電流密度保持不變。在製作縮比模型時，長度、寬度和半徑按照縮比係數k等比例縮小，因此矩形和圓形的麵積S等二維參量的縮比係數都為k2。時間t的縮比係數kt為1。電壓和電流等參數的縮比係數就可按照物理量間的關係確定。

                          變壓器各參量縮比係數

變壓器縮比模型設計

變壓器縮比模型設計主要包括變壓器鐵芯結構設計、變壓器繞組匝數設計和繞組抽頭結構設計。本文采用的電力變壓器原模型容量為80MVA，縮比模型容量為10kVA，根據縮比準則，最終設計的變壓器縮比模型鐵芯采用矽鋼片疊壓而成，且為口字型結構，鐵芯上下柱為方柱，左右柱大約為圓柱。繞組位於鐵芯外，鐵芯直徑為105mm，變壓器高低壓繞組位於直徑116mm外，中間為環氧布和環氧管。變壓器高壓繞組共有960匝，分為兩個部分，每部分480匝，位於鐵芯左右兩個圓柱。繞組每48匝作為一層，連續繞在鐵芯外。且每48匝引出一個抽頭，共有20個抽頭。變壓器低壓繞組共有176匝，平均分布在鐵芯左右兩個圓柱上。

                                  變壓器繞組抽頭結構圖

變壓器縮比模型電磁場分布計算

為對比原變壓器和縮比模型的電場分布和磁場分布，按照相似性原則對原模型和縮比模型的電場分布和磁場分布進行了有限元仿真計算，原模型和縮比模型施加相似邊界條件。當電場和磁場共同作用在變壓器上時，變壓器原模型和縮比模型的電磁場分布結果表明：縮比模型的電位分布、磁通密度分布等與原模型一致。

                                        原模型和縮比模型電位對比

                                    不同頻率磁場分布對比

變壓器縮比模型繞組衝擊電壓分布

基於變壓器縮比模型，搭建試驗平台測量變壓器高壓繞組衝擊電壓分布。基於變壓器縮比模型衝擊電壓分布試驗平台，由納秒脈衝發生器產生脈寬為1400ns，不同電壓幅值的電壓分別施加在繞組高壓側、串接的低壓繞組和並接的低壓繞組，並通過測量高壓繞組各抽頭電壓波形獲取不同外施電壓下的繞組電壓分布。由試驗結果可見：衝擊電壓作用下繞組電壓分布極不均勻，不同電壓下的電壓分布趨勢基本相同，且高壓繞組首端承受的電壓較大。主要是因為繞組間雜散電容的存在使得繞組電壓分布極不均勻，其分流作用使得高壓繞組電壓分布極不均勻且高壓繞組首端承受較大電壓。

                                             高壓進波不同電壓下的高壓繞組電壓分布

結論

1）考慮趨膚深度相同的條件下，縮比模型頻率為原模型的400倍，磁通密度B為原模型的1/20。

2）基於設計的變壓器縮比模型，按照本文縮比準則的要求設計參數，變壓器原模型和縮比模型用COMSOL進行電磁場仿真，驗證了本文縮比準則的正確性。

3）施加衝擊電壓時，繞組電壓分布極不均勻，且首端承受的電壓較大，本文所提出的縮比準則可在測量變壓器繞組電壓分布試驗中應用。